陳瑩穎，李中華，許 鐸

(1.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029；2.通航建筑物建設(shè)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029；3.河海大學(xué)，江蘇 南京 210098)

小清河航道是山東省“一縱三橫”內(nèi)河主干航道網(wǎng)中重要的“一橫”，也是山東省現(xiàn)階段唯一具備海河聯(lián)運(yùn)開(kāi)發(fā)利用條件的航道[1]。小清河復(fù)航工程于2019年下半年正式啟動(dòng)，復(fù)航河段共有水牛韓、金家堰、金家橋、王道4個(gè)梯級(jí)，其中水牛韓船閘尺度為230 m×23 m×5.0 m(有效長(zhǎng)度×有效寬度×門檻水深)，可滿足遠(yuǎn)期(2030年)通過(guò)量需求。

水牛韓船閘按Ⅱ級(jí)船閘標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)[2]，主要通航1 000噸級(jí)船舶(隊(duì))，設(shè)計(jì)水頭5.3 m(對(duì)應(yīng)水位組合為船閘上游14.00 m、下游8.70 m)，設(shè)計(jì)輸水時(shí)間10 min[3]。由于小清河沿線水資源比較匱乏，而水牛韓船閘一次輸水過(guò)程耗水量達(dá)3.1萬(wàn)m3,故為減少航運(yùn)用水量，水牛韓船閘須具備省水功能。

1 省水船閘布置形式及工作原理

根據(jù)水牛韓船閘閘址地形條件并考慮未來(lái)船閘續(xù)建的需求，在單側(cè)設(shè)置省水池是較優(yōu)的選擇。單級(jí)省水池一般設(shè)在船閘側(cè)面，為避免省水池向閘室充水時(shí)在池底泄水口處產(chǎn)生漩渦，省水池應(yīng)留有一定富余水深[4]，即省水池內(nèi)須設(shè)定最低水位。

單個(gè)省水池的船閘工作原理較為簡(jiǎn)單，如圖1所示。當(dāng)船閘泄水時(shí)，閘室內(nèi)水體不是直接泄向下游，而是先泄向省水池，待閘室與省水池水位齊平后(省水池內(nèi)水體由最低水位上升至最高水位)，閘室內(nèi)剩余水體再泄向下游，直至閘室水位與下游水位齊平；當(dāng)船閘充水時(shí)，先由省水池向閘室充水，待閘室與省水池水位齊平后(省水池內(nèi)水體由最高水位下降至最低水位)，閘室內(nèi)不足的水體再由上游補(bǔ)充，直至閘室水位與上游水位齊平。

圖1 單級(jí)省水池省水船閘工作原理

根據(jù)圖1的閘室與省水池水位變化，可計(jì)算單級(jí)省水池省水船閘充泄水過(guò)程的省水量。設(shè)閘室面積為A1，省水池面積為A2，閘室工作水頭為H1，閘室上游水位與省水池池內(nèi)最低水位之差為H2。當(dāng)船閘泄水時(shí)，先泄向省水池，若閘室與省水池水位齊平且閘室水位下降了H′2，則進(jìn)入省水池的水量為：

V1=A1H′2=A2(H2-H′2)

(1)

在充水過(guò)程中，只有進(jìn)入省水池的水量V1再全部回到閘室，才是真正的省水量。即省水池向閘室充水時(shí)，省水池水體下降至池內(nèi)最低水位，閘室水位上升到省水池最低水位。故有：

A2(H2-H′2)=A1(H1-H2)

(2)

H′2值越大說(shuō)明省水效果越好，由式(1)、(2)可得：

(3)

因此，省水效率為：

(4)

由式(4)可以看出，在單級(jí)省水池與閘室之間無(wú)剩余水頭情況下，可達(dá)到的省水率Ew和閘室與省水池的面積比密切相關(guān)，閘室與省水池面積比越小(即閘室面積一定時(shí)，省水池面積越大)，省水率Ew越大。

省水池的建造費(fèi)用主要取決于其面積的大小，因此大多數(shù)已建船閘都選用與閘室面積大致相等的省水池，水牛韓船閘省水池平面面積也與閘室水域面積一致(省水池平面尺度為234.0 m×26.2 m(長(zhǎng)×寬)，面積為6130.8 m2)，故水牛韓船閘最大省水率為33.3%，實(shí)際運(yùn)行中因省水池與閘室之間存在一定剩余水頭，省水率會(huì)有所下降。

同時(shí)，將A1=A2、H1=5.3 m代入式(3)，可得閘室與省水池水位齊平且閘室水位下降了H′2=1.767 m，將其代入式(1)，可得閘室上游水位與省水池池內(nèi)最低水位之差H2=3.533 m，即水牛韓船閘省水運(yùn)行時(shí)省水池運(yùn)行最大水頭為3.533 m，并由此計(jì)算得到省水池最低水位為10.467 m(H最低=H下游+H1-H2)，省水池最高水位為12.233 m(H最高=H下游-H′2)。參考金家堰船閘物理模型試驗(yàn)成果，水牛韓船閘省水池最小富余水深取1.517 m，即省水池底高程為8.95 m，頂高程則為13.00 m。水牛韓船閘單級(jí)省水池布置為：設(shè)計(jì)水頭時(shí)，池底高程為8.95 m，池頂高程為13.0 m，池內(nèi)最低水位為10.467 m，池內(nèi)最高水位為12.233 m，運(yùn)行最大水頭為3.533 m。

2 閘首輸水系統(tǒng)形式和布置

2.1 輸水系統(tǒng)形式

考慮到水牛韓船閘還存在不使用省水池進(jìn)行充泄水的情況，因此，船閘閘首輸水系統(tǒng)布置仍按照設(shè)計(jì)水頭5.3 m設(shè)計(jì)。

根據(jù)《船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[5](簡(jiǎn)稱“規(guī)范”)輸水系統(tǒng)類型的選擇公式：

(5)

式中：m為判別系數(shù)；T為輸水時(shí)間(min)；H為水頭(m)。

計(jì)算可得，m=4.34，根據(jù)規(guī)范，水牛韓船閘判別系數(shù)m值大于3.5，可采用閘首短廊道集中輸水系統(tǒng)。工程實(shí)踐證明常規(guī)船閘若采用閘首短廊道集中輸水系統(tǒng)是最經(jīng)濟(jì)的方案，在我國(guó)廣泛應(yīng)用于10 m以下水頭的船閘。

2.2 輸水系統(tǒng)各部位尺寸及布置

根據(jù)規(guī)范要求，計(jì)算并確定了水牛韓船閘閘首輸水系統(tǒng)各部位主要尺寸：

1)輸水閥門處廊道斷面為(2～3.3)m×4.0 m(寬×高)，總面積為26.4 m2。

2)上閘首進(jìn)水口采用檻上多支孔的布置形式，進(jìn)水口檻頂高程取6.75 m，檻頂共布置12個(gè)進(jìn)水支孔，進(jìn)水支孔寬度有0.6、1.0和1.5 m共3種規(guī)格，每?jī)蓚€(gè)支孔間距0.8 m。

3)上閘首出水口采用格柵消能室的布置形式，格柵消能室長(zhǎng)23 m、寬6.3 m、高4.0 m、檻頂高程為6.75 m；分別設(shè)置頂部出水支孔和正面出水支孔，頂部出水支孔為(2.8～30)m×0.2 m(長(zhǎng)×寬)，正面出水支孔為(4.0～15)m×1.0 m(高×寬)；根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，格柵消能室內(nèi)設(shè)3道消能檻，消能檻中間高度為2 m，兩側(cè)高度分別為0.9 m(靠省水池側(cè))和0.6 m，同時(shí)為減小充水時(shí)正面出水支孔對(duì)閘室內(nèi)船舶所受系纜力的影響，上閘首和閘室連接段設(shè)為陡坎連接，并設(shè)消力梁。

4)下閘首進(jìn)水口采用門庫(kù)內(nèi)側(cè)向進(jìn)水口的布置形式，進(jìn)水口頂高程取6.05 m，每側(cè)閘墻各布置一個(gè)進(jìn)水孔，每個(gè)進(jìn)水孔尺寸均為4.8 m×4.0 m(長(zhǎng)×高)。

5)下閘首出水口采用設(shè)置消力檻的簡(jiǎn)單消能工布置形式，消能室底高程為2.05 m，出水口頂高程為6.05 m。為減小省水池向閘室充水時(shí)對(duì)閘室內(nèi)船舶停泊條件的影響，下閘首和閘室連接段也設(shè)為陡坎連接，并設(shè)消力梁。

6)閥門段輸水廊道通過(guò)水平轉(zhuǎn)彎與上、下閘首進(jìn)水口和出水口連接，連接時(shí)廊道高度保持4.0 m不變。

3 省水池輸水系統(tǒng)布置

省水池輸水系統(tǒng)采用與船閘上、下閘首分別用一根輸水廊道連接的布置形式，省水池向閘室輸水或者閘室向省水池輸水時(shí)均通過(guò)上、下閘首的連接廊道同時(shí)進(jìn)行，輸水閥門布置在閘首和省水池之間。連接廊道輸水閥門處廊道尺寸仍根據(jù)規(guī)范按集中輸水系統(tǒng)估算，計(jì)算為17.5 m2,綜合考慮船閘運(yùn)行后維護(hù)的便捷性，取連接廊道輸水閥門處廊道尺寸與閘首廊道一致，即(2.0～3.3)m×4.0 m(寬×高)，總面積為26.4 m2。

連接廊道輸水閥門段廊道采用平底平頂布置形式，上閘首連接廊道頂高程取6.05 m，底高程為2.05 m，與上閘首廊道一致；下閘首連接廊道頂高程取6.05 m，底高程為2.05 m，與下閘首廊道一致。

上、下閘首省水池輸水系統(tǒng)與上、下閘首短廊道輸水系統(tǒng)均采用平交連接方式，廊道交匯處采用弧線修圓連接方式。上閘首省水池連接廊道一側(cè)邊壁與上閘首格柵消能室靠近閘室一側(cè)邊壁齊平，下閘首省水池連接廊道一側(cè)邊壁與下閘首進(jìn)水口靠近閘室一側(cè)邊壁齊平。上閘首匯合廊道與格柵消能室連接處設(shè)置一挑流坎，以避免省水池向閘室輸水時(shí)水流集中在正面出水口流出。下閘首進(jìn)水口外門庫(kù)內(nèi)設(shè)置3道消力檻，以確保省水池向閘室輸水時(shí)出流均勻。

省水池底部上、下游側(cè)分別布置一個(gè)進(jìn)(出)水口與連接廊道相連，進(jìn)(出)水口尺寸均為16.2 m×3.3 m(長(zhǎng)×寬)，進(jìn)(出)水口頂部四面修圓，底部與廊道連接處也做修圓處理。為避免船閘省水運(yùn)行時(shí)，省水池進(jìn)(出)水口出現(xiàn)漩渦，在省水池進(jìn)(出)水口上設(shè)置了消能格柵。

水牛韓省水船閘輸水系統(tǒng)平面布置如圖2所示。

圖2 水牛韓省水船閘輸水系統(tǒng)平面布置(高程：m；尺寸：mm)

4 輸水水力特性計(jì)算

4.1 數(shù)學(xué)模型及計(jì)算方法

圖3為設(shè)省水池單級(jí)船閘輸水過(guò)程概化圖，根據(jù) Bernoulli方程[6]，可以推導(dǎo)出描述單級(jí)船閘輸水過(guò)程的非恒定流方程組：

(6)

(7)

(8)

Qc(t)=∑Qi(t)

(9)

式中：hi為各級(jí)省水池水位(m)；hc為閘室水位(m)；Ai為各級(jí)省水池閥門段廊道斷面面積(m2)；Ac為主閥門段廊道斷面面積(m2)；Si為各級(jí)省水池水域面積(m2)；Sc為閘室水域面積(m2)；Qi為各級(jí)省水池廊道段流量(m3)；Qc為主廊道段流量(m3)；ia、iv、ib分別為各級(jí)省水池閥門前a段、閥門段、閥門后b段廊道阻力系數(shù)；c為主廊道阻力系數(shù)；Lia和Lib為各級(jí)省水池閥門前a段和閥門后b段廊道換算長(zhǎng)度(m)；Lc為主廊道換算長(zhǎng)度(m)；g為重力加速度(m/s2)；設(shè)省水池?cái)?shù)量為m，則i最大值為m+1。

式(6)～(9)是描述設(shè)省水池單級(jí)船閘輸水過(guò)程的通用基本方程，對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖兓涂蓱?yīng)用于不同輸水過(guò)程。如：水牛韓船閘為單級(jí)省水池布置，m=1，i最大值為2；船閘充水過(guò)程i取1～2，船閘泄水過(guò)程i取0～1，并令S2(上游水域)，S0(下游水域)，代入各取值后，采用差分法和迭代法求解上述方程組，模擬省水船閘輸水運(yùn)行產(chǎn)生的水力特性變化，就可得到船閘輸水過(guò)程的水力特征值及水力特征曲線，如輸水時(shí)間、最大流量、流量過(guò)程線和水位過(guò)程線等。

圖3 設(shè)多省水池單級(jí)船閘輸水過(guò)程概化圖

根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)和模型試驗(yàn)成果，船閘工程大多是在閘室充水時(shí)船舶縱向系纜力易超出規(guī)范允許值，需要通過(guò)采取一定措施(如調(diào)整閥門開(kāi)啟方式等)降低其縱向系纜力，而橫向系纜力一般均小于規(guī)范允許值，即使橫向系纜力局部超標(biāo)也可通過(guò)優(yōu)化閘室消能工進(jìn)行解決。因此，本文船舶停泊條件主要針對(duì)充水時(shí)的船舶縱向系纜力進(jìn)行計(jì)算分析。船舶縱向系纜力可用波浪力和流速力的合力近似計(jì)算，并以此來(lái)判斷船舶的停泊條件。

4.2 基本水力參數(shù)估算

考慮到省水船閘布置經(jīng)驗(yàn)相對(duì)較少，采用數(shù)值試驗(yàn)的方法對(duì)船閘上閘首充水流量系數(shù)、下閘首泄水流量系數(shù)、船閘向省水池泄水流量系數(shù)以及省水池向閘室充水流量系數(shù)進(jìn)行仿真計(jì)算，即通過(guò)三維局部數(shù)學(xué)模型，采用與物理模型恒定流測(cè)量流量系數(shù)相同的原理，計(jì)算各部分的流量系數(shù)。數(shù)值試驗(yàn)中，采用RNG 雙方程紊流模型并嵌套“VOF”技術(shù)對(duì)閘室自由表面水流進(jìn)行捕捉，計(jì)算所得水牛韓船閘非省水和省水運(yùn)行方式下的流量系數(shù)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 水牛韓船閘輸水流量系數(shù)計(jì)算結(jié)果

4.3 非省水運(yùn)行水力特性

根據(jù)規(guī)范對(duì)水牛韓船閘非省水運(yùn)行時(shí)的閘首輸水閥門開(kāi)啟時(shí)間進(jìn)行估算，并參考已建同類船閘實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)考慮到閥門開(kāi)啟速度盡量一致，以便于運(yùn)行管理，初步確定閘首充、泄水閥門勻速開(kāi)啟時(shí)間均為tv=420 s。

水牛韓船閘在設(shè)計(jì)水頭5.3 m(水位組合8.7～14.0 m)下非省水運(yùn)行，閥門開(kāi)啟時(shí)間tv=420 s時(shí)的閘室輸水時(shí)間、流量、閘室斷面平均流速等最大特性值見(jiàn)表2，充、泄水時(shí)對(duì)應(yīng)的閘室水位、流量變化過(guò)程線如圖4、5所示。由圖表可知，采用tv=420 s的閥門開(kāi)啟方式，閘室充、泄水時(shí)間均可滿足10 min的設(shè)計(jì)要求，計(jì)算所得的輸水廊道最大平均流速均小于5.0 m/s，下游引航道斷面最大平均流速為0.44 m/s，閘室最大水面升降速度為1.83 cm/s，上述水力特性值均滿足規(guī)范要求。

表2 水牛韓船閘非省水運(yùn)行時(shí)閘室充、泄水最大水力特性值

注：tv為輸水閥門開(kāi)啟時(shí)間；T為輸水時(shí)間；Qmax為輸水最大流量；Emax為水流最大能量；Epmax為閘室橫斷面的最大比能；vmax充水時(shí)為閘室斷面最大平均流速，泄水時(shí)為下游引航道斷面最大平均流速；umax為閘室水面最大上升(下降)速度。

圖4 非省水運(yùn)行充水水力特性曲線

圖5 非省水運(yùn)行泄水水力特性曲線

4.4 省水運(yùn)行水力特性

根據(jù)前文計(jì)算的水牛韓船閘省水運(yùn)行時(shí)的省水池最低水位、最高水位以及運(yùn)行最大水頭，對(duì)應(yīng)的閘室及省水池的控制水位見(jiàn)表3，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行船閘省水運(yùn)行時(shí)水力特性的計(jì)算。

表3 水牛韓船閘省水運(yùn)行時(shí)閘室及省水池控制水位組合

水牛韓船閘省水運(yùn)行時(shí)，對(duì)設(shè)計(jì)水頭5.3 m(水位組合8.7～14.0 m)下不同輸水閥門的各種開(kāi)啟方式進(jìn)行了計(jì)算。根據(jù)試算，確定省水運(yùn)行充水時(shí)，省水池閥門以tv1=120 s、開(kāi)度n=0.8的方式局部開(kāi)啟，剩余55～65 cm水位差以tv=90 s的方式關(guān)閉，上閘首充水閥門提前15 s以tv2=240 s的方式勻速開(kāi)啟；省水運(yùn)行泄水時(shí)，省水池閥門也以tv1=120 s、n=0.8的方式局部開(kāi)啟，剩余30～40 cm水位差以tv=90 s的方式關(guān)閉，下閘首泄水閥門提前30 s以tv2=240 s的方式勻速開(kāi)啟。

在上述各閥門開(kāi)啟方式下，水牛韓船閘省水運(yùn)行時(shí)，輸水時(shí)間、流量、閘室斷面平均流速等最大特性值見(jiàn)表4，充、泄水時(shí)對(duì)應(yīng)的閘室水位、流量變化過(guò)程線如圖6、7所示。由圖表可知，采用該閥門開(kāi)啟方式，閘室充、泄水時(shí)間均滿足10 min的設(shè)計(jì)要求，計(jì)算所得輸水廊道最大平均流速均小于 5.0 m/s，下游引航道斷面最大平均流速為 0.43 m/s，閘室最大水面升降速度為1.76 cm/s，上述水力特性值均滿足規(guī)范要求。

表4 水牛韓船閘省水運(yùn)行充水時(shí)最大水力特性值

注：T總為閘室輸水總時(shí)間;T省水池為省水池輸水時(shí)間；Q省水池為省水池輸水最大流量，Q為上、下游輸、泄水最大流量；E省水池為省水池輸水閘室內(nèi)水流最大能量;E為上、下游輸、池水閘室內(nèi)水流最大能量；P省水池為省水池輸水閘室橫斷面最大比能;P上游為上游輸水閘室橫斷面最大比能；v為閘室斷面最大平均流速。

圖6 省水運(yùn)行充水水力特性曲線

圖7 省水運(yùn)行泄水水力特性曲線

4.5 船舶停泊條件

通過(guò)船舶縱向系纜力計(jì)算，得出的最大系纜力值見(jiàn)表5。水牛韓船閘在設(shè)計(jì)水頭5.3 m(水位組合8.7～14.0 m)下非省水運(yùn)行，充水閥門采用tv=420 s雙邊勻速連續(xù)開(kāi)啟時(shí)，1頂2×1 000噸級(jí)駁船最大縱向系纜力22.46 kN，1 000噸級(jí)貨船最大系纜力12.67 kN，設(shè)計(jì)船舶最大系纜力均小于規(guī)范允許的最大限值(規(guī)范中1 000噸級(jí)船舶允許系纜力32 kN)，設(shè)計(jì)船舶停泊條件能夠滿足規(guī)范要求。

表5 水牛韓船閘非省水運(yùn)行時(shí)船舶最大縱向系纜力

注：tv為輸水閥門開(kāi)啟時(shí)間。

與船閘非省水運(yùn)行時(shí)相同，船閘省水運(yùn)行時(shí)也是充水過(guò)程中船舶縱向系纜力易超出規(guī)范允許值。在閘室充水過(guò)程中，輸水流量最大時(shí)，閘室內(nèi)斷面流速較大；比能最大時(shí)，閘室內(nèi)紊動(dòng)能較大，對(duì)閘室內(nèi)停泊船舶均較不利，船舶縱向系纜力易在這兩個(gè)時(shí)刻達(dá)到最大值，水牛韓船閘非省水和省水運(yùn)行充水時(shí)的最大水力特性值見(jiàn)表6，據(jù)此對(duì)比分析省水運(yùn)行時(shí)的船舶停泊條件。

由表6的數(shù)值對(duì)比可知，水牛韓船閘省水運(yùn)行充水時(shí)，最大輸水流量為104.7 m3/s，最大比能為16.8 kW/m2,小于非省水運(yùn)行充水時(shí)的最大輸水流量(110.3 m3/s)和最大比能(22.9 kW/m2)，由此可認(rèn)為，船閘省水運(yùn)行充水時(shí)的船舶停泊條件比非省水運(yùn)行充水時(shí)略佳，設(shè)計(jì)船舶最大縱向系纜力應(yīng)小于非省水運(yùn)行充水時(shí)，故水牛韓船閘省水運(yùn)行充水時(shí)設(shè)計(jì)船舶停泊條件也能夠滿足規(guī)范要求。

表6 水牛韓船閘非省水和省水運(yùn)行充水時(shí)最大水力特性值對(duì)比

注：tv為閥門開(kāi)啟時(shí)間；Qmax為輸水最大流量；H為對(duì)應(yīng)輸水流量最大時(shí)刻閘室水位；Epmax為閘室橫斷面的最大比能。

5 結(jié)語(yǔ)

1)水牛韓船閘在單側(cè)設(shè)置單級(jí)省水池，閘首為短廊道集中輸水系統(tǒng)，省水池為與上、下閘首分別用一根輸水廊道連接的輸水系統(tǒng)，具有較佳的性價(jià)比。

2)根據(jù)水牛韓船閘運(yùn)行的具體情況，提出了滿足規(guī)范相應(yīng)要求的閘首、省水池輸水系統(tǒng)布置及各部位尺寸。

3)采用船閘輸水過(guò)程數(shù)學(xué)模型計(jì)算了水牛韓船閘非省水運(yùn)行和省水運(yùn)行時(shí)的輸水水力特性，水力計(jì)算結(jié)果表明，提出的各閥門運(yùn)行方式是合適的，船閘輸水水力特性滿足設(shè)計(jì)輸水時(shí)間要求和規(guī)范相關(guān)要求，研究成果可為省水船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。